[论文解读] Finding the Missing Baryons Using CMB as a Backlight

Shirley Ho, Simon DeDeo+1 more|ArXiv.org|Mar 16, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 27

一句话总结

该论文提出了一种新方法，通过将宇宙微波背景（CMB）图与来自大尺度结构巡天的星系动量模板进行互相关，以探测星系际介质中缺失的重子。该方法利用了由集体电子运动散射CMB光子产生的动力学松原-泽尔多维奇（kSZ）效应，使普朗克（Planck）的信噪比达到11–32，阿卡鲁（ACT）的信噪比达到4–12，从而实现了对电离气体的直接探测，且无需依赖温度或金属丰度的假设。

ABSTRACT

We present a new method for detecting the missing baryons by generating a template for the kinematic Sunyaev-Zel'dovich effect. The template is computed from the product of a reconstructed velocity field with a galaxy field; we find that the combination of a galaxy redshift survey such as SDSS and a CMB survey such as ACT and PLANCK can detect the kSZ, and thus the ionized gas, at significant signal-to-noise. Unlike other techniques that look for hot gas or metals, this approach directly detects the electrons in the IGM through their signature on the CMB. The estimated signal-to-noise for detecting the galaxy-momentum kSZ cross-correlation is 4, 9, and 12 for ACT (with survey area of 2000 $\mathrm{deg}^2$) with SDSS-DR4, SDSS3 and ADEPT respectively. The estimated signal-to-noise for PLANCK with SDSS-DR4, SDSS3 and ADEPT is 11, 23, and 32. Our method provides a new mean for determining properties of the ionized gas in the Universe. We provide galaxy momentum templates constructed from Sloan Digital Sky Survey online at our website at http://www.astro.princeton.edu/~shirley/SZ/SZ.html. The predicted correlation coefficients are provided along with the momentum maps. One can download the momentum templates and cross-correlate directly with CMB maps from ACT and PLANCK to detect the missing baryons.

研究动机与目标

• 解决局部宇宙中未被观测到的缺失重子这一长期存在的宇宙学难题。
• 克服传统方法（如X射线和莱曼-α巡天）的局限性，这些方法无法探测宇宙网中低密度、低温的电离气体。
• 开发一种稳健、模型无关的技术，通过动力学松原-泽尔多维奇（kSZ）效应探测电离气体，该效应仅依赖于电子动量和散射过程。
• 实现在丝状结构和空洞中对重子的探测，这些区域的热信号太弱，难以通过X射线或tSZ探测。
• 提供公开可获取的动量模板，以促进与阿卡鲁（ACT）、SPT和普朗克（Planck）CMB数据的直接互相关分析。

提出的方法

• 通过将重子的视线方向动量场 $\mathbf{p} = (1 + \delta_b) \mathbf{v}_b $ 从重建的大尺度结构速度场投影，构建kSZ模板。
• 利用线性理论和星系红移巡天（如SDSS-DR4、SDSS3、ADEPT）重建速度场，假设速度场反映暗物质和重子流动。
• 通过kSZ转移函数计算CMB温度非均匀性：$ \Theta(\hat{n}) = -\int d\eta \, g(\eta) \, \mathbf{n} \cdot \mathbf{p}(\hat{n}\eta, \eta) $，其中 $g(\eta)$ 为可见度函数。
• 将kSZ模板与阿卡鲁（ACT）和普朗克（Planck）的CMB图进行互相关以提取信号，最大化互相关系数。
• 使用可见度函数 $g(\eta)$ 对共动距离的积分进行加权，以考虑再电离期间光学厚度和电离历史的影响。
• 将该方法应用于探测宇宙网中的电离气体，特别是在其他方法失效的低密度区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 动力学松原-泽尔多维奇效应是否可用于探测X射线和莱曼-α巡天不敏感的低密度星系际介质中的电离重子？
• RQ2 通过当前和未来巡天的星系动量模板与CMB互相关，预期的kSZ效应信噪比是多少？
• RQ3 与tSZ及其他重子探测技术相比，kSZ互相关方法在灵敏度和系统误差方面表现如何？
• RQ4 该方法是否可用于利用分箱星系巡天追踪不同红移下重子含量和气体分布的变化？
• RQ5 巡天深度、角分辨率和覆盖面积对基于该模板方法探测kSZ信号的影响如何？

主要发现

• 该方法在阿卡鲁（ACT，2000 deg²）与ADEPT的kSZ互相关中实现了12.2的信噪比，在普朗克与ADEPT中达到32.2，表明具有极高的可探测性。
• 对于普朗克与SDSS-DR4的组合，信噪比估计为11.2，表明该方法在现有及未来CMB巡天中具有强大的探测潜力。
• kSZ信号主要来源于丝状结构和大尺度结构中电离气体的集体运动，而非热压力，因此对低密度、低温气体高度敏感。
• 该方法避免了对金属丰度或电离状态的假设，仅依赖于电子密度和速度，而这些量可通过线性理论良好建模。
• 来自SDSS的动量模板已公开发布于 http://www.astro.princeton.edu/~shirley/SZ/SZ.html，可直接用于CMB数据的互相关分析。
• 该方法可实现对空洞及星系周围的重子探测，为宇宙时空中气体分布与演化提供一种全新探测手段。